多相亚稳高熵合金微结构演化和力学性能的研究

Due to excellent mechanical properties and extensive space in alloy design, the high-entropy alloys (HEAs) has already become an important research field of new metal materials. As an effective strengthening and toughening strategy of alloys, “metastability engineering” has become a research hotspot in HEAs. The “metastability engineering” strategy means transformation-induced plasticity (TRIP) and work hardening capability are successfully achieved via tailoring the stability of constituent phases and stacking fault energy. In addition, many strengthening methods such as nano-phase strengthening and eutectic strengthening are applied in HEAs. However, synergistic effects of “metastability engineering” and other strengthening and toughening strategies are seldom studied in the related researches of HEAs. Therefore, in order to obtain excellent comprehensive properties, synergistic effects of multiple strategies in single-phase or dual-phase HEAs are worth exploring, such as the synergistic effect of “metastability engineering” and nano-phase strengthening. Firstly, this project will design and prepare multiphase metastable HEAs by studying the stacking fault energy and short-range ordering of HEAs. Secondly, it will study on microstructure evolution and deformation mechanism of multiphase metastable HEAs, and establish the correlation between microstructure characteristic and mechanical properties of HEAs. Finally, it will provide experimental and theoretical basis for the development and preparation of high-performance HEAs.

高熵合金由于具有优异的力学性能和广阔的合金成分设计空间，已成为新型金属材料重要的研究方向。“亚稳工程”作为行之有效的合金强韧化思路，已经成为高熵合金的研究热点。其主要通过降低高熵合金固溶相的稳定性和堆垛层错能使材料产生相变诱导塑性（TRIP效应）和加工硬化，从而实现材料的强韧化。此外，纳米相强化，共晶强化等诸多强韧化手段也被运用在高熵合金中。然而在高熵合金的相关研究中，“亚稳工程”和其他强韧化策略的协同作用研究较少。如果将“亚稳工程”和纳米相强化等多种强韧化方法进行协同，对单相或者双相高熵合金进行多种调控，是否可以进一步提高高熵合金的综合性能值得探索。因此，本项目以设计制备多相亚稳高熵合金为入手，以层错能和短程有序为切入点；深入研究多相亚稳高熵合金的微结构演变过程和变形机制；从而建立高熵合金微结构与力学性能的关联性。为高性能高熵合金的开发和制备提供实验和理论依据。

高熵合金作为二十一世纪兴起的热点材料，已经成为金属材料最主要的研究方向之一。由于高熵合金也即多主元合金具有广阔的成分设计空间，因此高熵合金具有很多优异的性能。如：优异的力学性能，良好的热稳定性，抗腐蚀性，抗摩擦性等。.本项目以多相亚稳高熵合金的结构演化和力学性能为方向开展相关研究。在深入研究合金微结构演化和变形过程的基础上，阐述其变形机制，建立多相高熵合金微结构与力学性能的关联性，实现多种强韧化机制的协同和耦合。.申请人依据基金申请书的技术路线和研究计划开展相关研究工作。主要研究内容和重要结果如下：1、 阐明铁基亚稳金属的相变特征和原子尺度机制。Fe基亚稳金属是金属材料研究时间最长，最广泛，应用最广的材料之一。其亚稳奥氏体到马氏体的相变过程是调控性能的重要手段之一。淬火过程的马氏体相变可以提高材料的强度，变形过程的马氏体相变可以通过相变诱导塑性（TRIP效应）提高材料的塑性。相变过程原子尺度机制的解析，有望使两个过程协同进行从而突破材料强塑性的倒置关系。2、结构调控设计制备具有优异穿甲自锐性的钨基高熵合金。由于元素配比使得高熵合金的基体相具有亚稳特性，后续通过热处理手段调控其多相结构。在变形过程中，由于基体中弥散分布的微纳尺度拓扑密排μ相的存在，使其与基体界面处形成高的应变梯度，从而促进了剪切带的生成使合金具有优异的穿甲自锐性。3、多相高熵合金泡沫具有高的强度和优异的能量吸收能力。通过将CoCrFeMnNi五元合金与氧化铝微球结合制备了多相高熵合金泡沫。位错滑移，变形孪晶和相变（高应变速率）使CoCrFeMnNi基体具有良好的塑性和应变硬化能力，并在高应力水平下产生较大的应变积累。CoCrFeMnNi优异的断裂韧性抑制了裂纹的形核和扩展，使氧化铝胞壳在变形过程中发生塑性弯曲，形成较长的应力平台。从而使多相高熵合金泡沫具有超高的能量吸收能力。